世界斜拉桥发展现状和趋势定稿.doc

世界斜拉桥发展演变和未来趋势 中铁二十局 李建军为了解决高速公路跨越通航的海峡和江、河、湖、泊以及高深峡谷的矛盾，现代公路桥梁正朝着大跨径、更轻巧的方向发展。斜拉桥因其本身所具有的特性便成为了一种解决上述矛盾最为常用的结构。斜拉桥主要由主梁、缆索以及支承缆索的索塔等部分组成，属于组合体系的桥梁。通过桥塔上多条斜向拉索的支承，斜拉桥结构可以跨越相对宽阔的峡谷、通航海峡、河流等障碍物。中交永江公司承建的重庆三环高速公路永江段在跨越长江的设计方案中也是综合河道航运等要求，以斜拉桥的方式跨越长江。为了让大家了解斜拉桥的知识，近期搜集了一些有关斜拉桥方面的资料，编撰汇集以期能够使大家对斜拉桥的历史和发展有一定的认识。 一.斜拉桥发展演变史 斜拉桥源于吊索桥,很早以前,人们就掌握了从塔架上悬吊斜拉索来支撑梁的知识。我国是世界上最早有吊桥的国家之一,迄今已有4 000 多年的历史。三里之城，七里之郭,作为城堡军事防御体系的重要组成部分,我国古代城郭主门外围均设有护城河和吊桥,桥的外端用绳索系在城墙塔架上。每当有紧急情况时关闭城门,拉动绳索把桥吊起来,切断通往城门口的道路。在这种体系结构里,斜拉索并不承担桥的荷载,主要是通过柔性拉索传递人力,起吊或放下桥面。 1617 年,意大利威尼斯工程师弗兰第阿斯(Ver2antius) 建造了一座用斜拉铁链支承木制桥面的桥梁体系,这是欧洲最早记载的斜拉桥。在世界桥梁界,大家公认是德国工程师最早发展了斜拉桥的早期工艺和技术,如：正交异性板、钢箱梁、斜拉索预应力工艺和施工方法,并因此对斜拉桥在全球应用和发展起到了促进作用。斜拉桥虽然l7世纪就有，但当时受科技水平的限制，缺乏可靠的理论分析方法和技术，这种结构体系没有得到很大的发展。18世纪初修建的两座斜拉桥的倒塌事件，又使得这种结构体系一直没有得到重视和发展。直到1938年德国工程师Dishinger重新认识到了斜拉桥的优越性，并对其进行了研究，1956年由他设计的瑞典Strmsund桥拉开了现代斜拉桥的序幕。该桥跨径74.7m+182m+74.7m，塔是门型框架，拉索辐射形布置，加劲梁由两片板梁组成。 1957年德国Dsseldorf建成Theodor Heuss桥，跨径是108m+260m+108m，钢塔高41m，横向独立不设横梁，拉索竖琴式布置，索距36m，钢梁高3.12m。 1959年德国建成Severvin桥，跨径302m，正交异性钢桥面板的钢箱梁，塔采用A形，钢索呈放射形，结构为漂浮式，它为桥的抗震提出有效措施，是世界上第一座非对称式钢斜拉桥。 1962年在委内瑞拉建成Maracaibo桥为第一座混凝土斜拉桥，主跨235m， A形塔，预应力刚性索，混凝土加劲梁，主要为带挂孔的悬臂体系。 20世纪60年代初期，结构分析有了新突破，采用电子计算机分析超静定结构，采用密索体系斜拉桥，从而避免了疏索体系斜拉桥主梁重而配筋多的缺点。1967年德国波恩建成Friedrich Ebert桥，跨径280m，单索面的密索体系，它可使锚固点集中力减小，使应力分布均匀，充分发挥了材料的潜在性能，且易于悬臂施工，为以后许多斜拉桥作出了典范。 1969年德国在Dsseldof建成Knie桥，跨径320m，塔采用无横系梁的刚塔，索采用竖琴式布置，桥面中孔是钢结构，边孔采取混凝土梁结构。 1971年德国在莱茵河上建成Kurtschmacher桥，跨径287m，首次采用295根7mm的平行索、HAIM锚。这种锚具有高抗疲劳能力，采用A形塔，边孔梁用混凝土材料砌筑，并设有辅助墩。德国工程师的工作为世界斜拉桥发展奠定了基础，法国的Nomandy（诺曼底）桥、日本的Tatara（多多罗）桥，均可看到德国斜拉桥的构思。斜拉桥在国外的迅速发展同样促使了我国斜拉桥的发展，1975年四川省云阳县建造了首座斜拉桥，跨径76m，为预应力混凝土公路斜拉桥，开始了中国斜拉桥的建造历史。20世纪70年代后，预应力斜拉桥在全球大量兴建。美国P-K1977年法国建成Brotonne桥（布鲁东纳桥），跨径320m，单索面密索，墩身采用柔性结构。钢索与梁的锚固点设计，有独到之处，整桥为混凝土结构，此桥曾被评为世界最美桥梁之一。1978年在美国建成了P-K（Pasco Kennewick）桥，其跨径是299m，双索面密索体系，塔为门形，钢索呈放射形，预制拼装桥面体系，桥面材料为混凝土。 以上两座桥的建成，树立了混凝土斜拉桥设计的典范， 因我国混凝土价格比较便宜，国内现有的施工技术及预应力工艺比较接近，因此混凝土斜拉桥在国内得到迅速发展。1980年广西建成了红水河铁路斜拉桥，跨径96m，双塔双索面竖琴式，这是我国第一座铁路预应力混凝土斜拉桥。1982年上海建成泖港大桥，跨径200m，为双塔双索面竖琴式混凝土斜拉桥，用预制悬臂拼装施工工艺。同年稍后在建成的济南黄河桥，跨径220m，是双塔双索面扇形布置拉索的混凝土斜拉桥，采用了悬臂现浇混凝土施工工艺。1984年在西班牙建成Luna桥，跨径440m，是双塔双索面扇形布置拉索的混凝土斜拉桥。 1986年在加拿大温哥华建成Annacis桥，跨径465m，是双塔双索面扇形布置的叠合梁斜拉桥，加劲梁用钢纵横梁及混凝土桥面板构成，该桥桥面现已出现大量结构性裂缝。1988年在中国重庆建成石门大桥，跨径230m+200m，是独塔单索面斜拉桥，它的建成标志着中国已具备460m斜拉桥的设计和施工能力。 1988年在美国建成Dame Point桥，是双塔双索面竖琴式混凝土斜拉桥，跨径396m，其横截面是形，钢束与加劲梁的结合的在梁实体上，其施工要点是永久索支承挂篮，永久索与挂篮之间用临时杆联系。形横断面与上述施工工艺是当前双索面混凝土斜拉桥发展的主流。1991年中国上海建成南浦大桥，跨径432m，是双塔双索面，。由于在设计理论、施工工艺、构造上对叠合梁采取了措施，使南浦大桥避免了结构性裂缝的产生，因而南浦大桥比国外叠合梁结构更可靠。在钢索制造上应用电缆生产工艺，成品工厂化，可直接运到现场安装。塔的断面为空心，可将锚头置于其内，使塔与索的造型对称而优美。它的建成预示了我国的斜拉桥建造水平已进入国际先进行列。1991年在挪威建成Skarnsundet，其跨径530m，采用混凝土结构，是当时跨径最大的混凝土斜拉桥。1993年笔者曾参建的咸阳渭河2号斜拉桥，主桥长800m，桥面宽25m，引桥长600m，桥塔高88m。1993年在中国上海建成杨浦大桥，跨径602m，是双塔双索面，拉索扇形布置的叠合梁斜拉桥，加劲梁采用箱形主梁、工字形横梁以及2640cm厚桥面板组合而成，塔采用钻石形以提高抗风能力，塔与索的锚固方法作了重大改进，采用预应力锚固方法。建成后邓小平同志亲自为大桥题写了桥名，他以94岁高龄登上杨浦大桥时感慨地说：“喜看今日路，胜读万年书！”。 1994年法国建成诺曼底（Normandy）大桥，跨径865m，中跨为钢梁结构，边跨为混凝土结构。 1996年荷兰建成伊拉斯谟斯大桥（Erasmusbrug）以“天鹅大桥”的美称闻名于世，拥有简洁俐落的外形，雪白的桥身修长挺拔，像一只优雅的白天鹅高贵地游荡在马斯河上。这座单向斜拉式大桥拥有2600级阶梯和数条大道，车辆、电车、脚踏车、行人及溜滑板的运动人士都可以自由通行，可谓荷兰人的实用主义精神的杰出代表。1999年日本建成多多罗（Tatara）大桥，跨度890m，主梁采用钢箱梁。日本Tatara桥2000年武汉长江三桥（白沙洲大桥），钢箱混合梁斜拉桥，主跨618m，桥面沥青混凝土曾出现严重问题。2001年建成的武汉长江四桥（军山大桥），钢箱梁斜拉桥，主跨460m，桥面全宽38.8m，设双向6车道，是目前中国最宽的公路桥。 2001年阿根廷建成的女人桥，位于首都布宜诺斯艾利斯新区Puerto Madero第三堤。主跨160米、宽6.2米，重约800吨，可以90转向。取名女人桥，除了它本身轻巧阿娜外，因附近所有的街名，都是以女人姓名来命名。2001年美国佐治亚州西德尼拉尼尔桥，主跨381m，双塔双索面斜拉桥。同年，英国盖特谢德千禧桥（Gateshead Millennium）绰号为Blinking Eye Bridge建成。2003年建成的四川宜宾金沙江中坝大桥，预应力混凝土独塔斜拉桥，主跨252m。同年建成的海南省海口世纪大桥主跨340m，主桥长636.60m，为双塔双索面三跨(147340147)预应力混凝土斜拉桥，桥面宽29.8m，主塔呈钻石型，塔高106.9m。2003年建成的扎金大桥（Zakim），是美国波士顿北部横跨查尔斯河的斜拉桥，也是该城最显眼的地标，以当地已故民权活动家列尼扎金（Lenny Zakim）的名字命名。它是世界上最宽的索拉桥，两个桥塔的造型是模仿对岸查尔斯镇的彭加山抗英战役纪念碑设计的。 2004年法国塔恩河河谷的Millau高架桥，七塔钢梁斜拉桥，大桥斜拉索的最高处高出地面1125英尺(合343m)，极为壮观，为世界第一高桥 。同年建成的巴拿马世纪大桥为独柱式双塔、中央单索面混凝土斜拉桥，主跨420m，桥面设6车道，是西半球同类桥梁中跨径最大的斜拉桥。 2004年的中国安庆长江大桥，主桥1040m。拥有四项全国第一：中标到首节钢围堰下水时间最短，仅用22天时间；从首节钢围堰下水到着岩封底时间最短，仅用80个工作日；钢围堰着岩精度(为1/660)最高，超出设计规范的6.6倍；在全国同类大桥建设中，安全建设零事故记录保持时间最久。2006年建成南京长江三桥，主跨648m，双塔双索面钢箱梁斜拉桥，索塔采用钢结构，在国内尚属首次。同年，约旦安曼建成Wadi Abdoun桥，是约旦惟一一座斜拉桥。2007年建成的俄罗斯齐佛匹斯尼大桥（英文：Zhivopisny Bridge，俄文： ，俄文的词义就是独特的），是一座跨越莫斯科河的斜拉桥，位于连接莫斯科市区和新区的E22高速公路上。这个设计方案避免了高速公路以及大桥对莫斯科河对岸“谢列布里亚内博尔岛”自然保护区的不良影响。（该岛上有森林公园，每年夏季会举行列梅舍夫流行音乐节，是莫斯科有钱人度假的去处）。该桥总长1460m，主跨409.5m，采用72根斜拉索，桥面宽度为47m。拱形的主塔的高度为105m，塔上设有一个飞碟状的空中餐厅，餐厅的高度为87.3m。 2008年以色列耶路撒冷科尔德斯大桥（Chords_Bridge、和弦桥) 建成，主跨约140m。这座造型独特的斜拉桥由西班牙建筑师圣地亚哥卡拉特拉瓦设计，它采用一种让人感觉不是很稳定的一根弯折而倾斜的高达119米的立柱，向下幅射出66根斜拉钢索，将圆弧型桥面在一侧吊住。律动的拉索给人以强烈的视觉冲击，使得科尔德斯桥赢得和弦桥的美称。它设置的玻璃钢人行道也为建筑增色颇多。 从以色列的科尔德斯桥、阿根廷女人桥、法国Millau高架桥、荷兰伊拉斯谟斯桥、英国盖特谢德千禧桥以及俄罗斯的齐佛匹斯尼桥的结构可以看出桥梁美学在斜拉桥设计中的重要性。在这些桥梁中，连续、渐变、起伏、交错的节奏韵律得到了充分的表现。按我国古代阴阳生万物的哲学，桥梁建筑中直线的、刚劲的、明亮的、坚实的构件如塔、梁、柱、墩等被赋予阳性，而建筑中曲线的、柔和的、幽暗的、虚空的如曲线的拱、主缆、拉索、桥上桥下空间等属于阴性。阳性为实，阴性为虚，虚实相生，对立统一。其交替组合及变化，能产生变化无穷的节奏与韵律。建筑是凝固的音乐就是因为它们都是通过节奏与韵律的体现而造成美的感染力。成功的斜拉桥设计能够将无声的建筑变为美妙的音律，以动人的节奏显扬于世。 2008年香港昂船洲大桥主跨1018m，为双向三线高架斜拉桥。2008年建成的苏通长江大桥为双塔斜拉桥，主跨1088m，列世界第一；主塔高度300.4m,列世界第二；斜拉索的长度577m，列世界第一；群桩基础平面尺寸113.75m 48.1m，列世界第一。2010年建成的鄂东长江公路大桥，大桥全长约6300m，主跨为926m的混合梁斜拉桥。 同年建成的上海闵浦大桥，全长1218.5m，主跨708m。主塔为H型，塔高217m。是具有双层桥面的公路斜拉桥。上层为44m宽双向8车道设计时速120km的高速公路，下层为28m 宽双向6车道的地方公路。设计理念体现了节约线位资源、减少环境影响、降低工程造价的科学思路。 2011年丹麦与德国合作修建跨波罗的海(Baltic Sea)的费马恩大桥(Fehmarn Belt Bridge)预计在2015年后建成。该项目总投资高达58亿欧元，跨海大桥总长18公里，连接德国的费马恩岛和丹麦的洛兰岛，是目前国外已知最大斜拉桥工程。 二.斜拉桥世界排名 目前已知世界斜拉桥排名表：排名名称主跨m桥型国家备注1苏通大桥1088钢箱梁中国已建2昂船洲大桥1018混合梁中国已建3鄂东长江公路大桥926混合梁中国已建4多多罗大桥890钢箱梁日本已建5诺曼底大桥856混合梁法国已建6九江长江公路大桥818混合梁中国在建7荆岳长江大桥816混合梁中国已建8上海长江大桥730钢箱梁中国已建9闵浦大桥708双层板桁混合梁中国已建10南京长江三桥648钢箱梁中国已建11南京长江二桥628钢箱梁中国已建12金塘大桥620钢箱梁中国已建13白沙洲长江大桥618混合梁中国已建14武汉二七长江大桥616三塔叠合梁中国在建15永川长江大桥608混合梁中国在建16青州闽江大桥605叠合梁中国已建17杨浦大桥602叠合梁中国已建18徐浦大桥590叠合梁中国已建 三. 现代斜拉桥的发展趋势 随着现代科学技术的飞速发展，斜拉桥在应用材料、力学实验、抗震设计诸方面的难题逐步得到解决，设计施工也日益成熟，桥跨不断向更大跨度（即1000m以上）迈进，结构形式更为美观，表现为桥塔独特异形和多样化，桥面加劲梁更为轻巧。目前存在需要改进的问题主要为： 1. 抗风设计 风的随机性和其动力振动行为极为复杂，尽管依靠风洞试验来验证抗风设计，但风洞模型与实际还是存在差异，需要大量收集跨海峡大桥的风振方面实际资料研究其规律性。 2. 抗震设计 斜拉桥的塔、索、梁结构，各自振动特性差别较大，也给抗震设计带来很大困难。此外结构的阻尼特性和大跨度桥梁的地震的行波效应也还需要深入研究。 3. 斜索的使用寿命 腐蚀与疲劳是影响斜索使用寿命的主要问题，也是金属材料冶炼、加工、生产以及力学方面急待研究提高的课题。4. 结构材料强度的提高 结构材料强度的提高可以减轻结构自重，从而提高桥梁跨越能力，使跨径更大。 5. 桥梁健康检测系统 80年代中后期，世界桥梁界开始建立各种规模的桥梁健康监测系统。例如，英国在总长522m的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场。该系统是最早安装的较为完整的监测系统之一，它实现了实时监测、实时分析和数据网络共享。建立健康监测系统的典型桥梁还有挪威的Skarnsundet斜拉桥（主跨530m）、美国主跨440m的SunshineSkyway Bridge斜拉桥、丹麦主跨1624m的Great Belt East悬索桥、英国主跨194m的Flintshire独塔斜拉桥以及加拿大的ConfederatiotBridge桥。我国自90年代起也在一些大型重要桥梁上建立了不同规模的结构监测系统，如香港的青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥，内地的上海徐浦大桥以及江阴长江大桥等。 虽然斜拉桥在我国的发展时间很短，但中国依然是世界上斜拉桥发展最快，最好的地方。无论是斜拉桥的结构形式，还是外形美观的设计，目前的中国无疑已成为一个斜拉桥的博物馆。世界上很多造型美观，跨度巨大的著名桥梁以及新工艺、新技术的运用，都可以在中国找到它的影子。 四. 永川长江大桥介绍 1.简介 笔者目前参建了由中交一局重庆永江公司以BOT形式投资建设的永川长江大桥，此项目北起重庆市永川区松溉镇，跨越长江后进入重庆市江津区石蟆镇。永川长江大桥为主跨608米的双塔双索面混合梁斜拉桥，全长1008米，桥跨布置为（64+68*2+608，+68*2+64）米，其中永川侧塔高196.7米，江津侧塔高207.4米。大桥采用双向6车道高速公路标准，设计时速80公里/小时，桥涵设计荷载为公路级。永川长江大桥是重庆市辖区内长江上游的第一座大桥，是打破重庆交通瓶颈，构筑重庆周围区县一小时经济圈的重要交通枢纽工程。大桥建成后可将成渝、渝泸、渝黔等高速公路和重庆港永川港区紧密串联起来，打造渝西地区新的便捷出海通道，有利于重庆加快建设长江上游航运中心，建立完成重庆高速、快捷的水陆联运交通体系。 2.大桥特色及施工难点永川长江大桥主跨608m，主跨度排名全球斜拉桥第15名。由于长江上游汛期长、工程